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Tiefgekühltes, insbesondere supraleitendes, Kabel Die Erfindung betrifft
ein tiefgekühltes, insbesondere supraleitendes, Kabel mit einem den bzw. die durch
ein erstes Kühlmittel kühlbaren elektrischen Leiter umgebenden, durch eine Hülle
umschlossenen evakuierbaren Raum und einem in diesem Raum angeordneten, den bzw.
die Leiter umschließenden metallischen Strahlungsschild, das durch ein zweites,
flüssiges, durch wenigstens ein Rohr geführtes Kühlmittel kühlbar ist.
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Von tiefgekühlten, insbesondere supraleitenden, Kabeln sind für die
Übertragung großer elektrischer Energiemengen erhebliche Vorteile zu erwarten. Als
elektrische Leiter können für diese Kabel elektrisch normalleltende Metalle insbesondere
hoher Reinheit, bei3pielsweise hochreines Aluminium, verwendet werden. Da der ohmsche
Widerstand von normalleitenden Metallen bei tiefen Temperaturen wesentlich kleiner
ist als bei Raumtemperatur, können durch die Kühlung der Leiter die elektrischen
Verluste im Kabel stark herabgesetzt werden. Besonders geeignet für derartige Kabel
sind supraleitende Metalle, deren ohmscher Widerstand bei Abkühlung auf eine Temperatur
unterhalb der vom jeweils verwendeten Supraleitermaterial abhängigen kritischen
Temperatur oder Sprungtemperatur völlig verschwindet. Als Supraleitermaterialien
kommen dabei insbesondere die Metalle Niob und Blei und sogenannte Hochfeldsupraleitermaterialien
in Frage.
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Als Beispiele für Hochfeldsupraleitermaterialien sind insbesondere
supraleitende legierungen aus Niob und Titan bzw. aus Niob und Zirkon, gegebenenfalls
mit Zusätzen weiterer Stoffe, und intermetrtllische supraleitende Verbindungen wie
Niob-Zinn (Nb3Sn) zu nennen. Die Supraleiter können zur elektrischen Stabilisierung
vorteilhaft mit elektrisch zu ihnen parallel geschalteten, bei der Betriebstemperatur
der Supraleiter elektrisch
normalleitenden Metallen, wie Kupfer
oder Aluminium, gut elektrisch leitend und gut wärmeleitend verbunden oder in diese
elektrisch normalleitenden Metalle eingebettet sein. Zur Kühlung von Leitern aus
elektrisch normalleitendem Metall eignen sich insbesondere Flüssigkeiten mit einer
Siedetemperatur unterhalb von etwa 15O0K, wie beispielsweise flüssiger Wasserstoff,
flüssiger Stickstoff oder flüssiges Erdgas, oder kalte Gaseentsprechender Temperaturen.
Zur Kühlung von Supraleitern kommen bei den derzeit verfügbaren Supraleitermaterialien
praktisch nur flüssiges oder kaltes gasförmiges Helium in Frage.
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Um die zur Kühlung der Leiter erforderiiche Kühlleistung möglichst
klein zu halten und unnötige Kühlmittelverluste zu vermeiden; müssen die Leiter
und das zu ihrer Kühlung dienende Kühlmittel gegenüber der äußeren Umgebung des
Kabels thermisch isoliert werden. Diese thermische Isolation besteht in der Regel
aus einem die Leiter umgebenden, durch eine Hülle umschlossenen evakuierbaren Raum.
Zur Herabsetsung der Wärme ein strahlung aus der Umgebung des Kabels auf die leiter
kann innerhalb des evakuierbaren Raumes ein die Leiter umschließendes metallisches
Strahlungsschild vorgesehen sein, das durch ein zweites, flüssiges Kühlmittel gekühlt
wird, welches eine höhere Temperatur besitzt als das zur Kühlung der Leiter dienende
Kühlmittel. Bei einem bekannten mit flüssigem Helium gekühlten, supraleitenden Kabel
besteht dieses Strahlungsschild aus einem Blechrohr, das mit Rohren verbunden ist,
die beim Betrieb des Kabels von flüssigem Stickstoff durchströmt werden (Electrical
Review" 181 (1967), S. 348 bis 351). Bei einem anderen bekannten mit flüssigem Helium
gekühlten, supraleitenden Kabel besteht das Strahlungsschild aus zwei konzentrisch
zueinander angeordneten Rohren, deren Zwischenraum beim Betrieb des Kabels von flüssigem
Stickstoff durchströmt wird (Elektrotechnische Zeitschrift', Ausgabe A, Bd. 89 (1968),
S. 325 bis 330). Zusätzlich können in dem evakuierbaren Kaum schlecht wärmeleitende
Stoffe, insbesondere mehrere Lagen aus schlecht wärmeleitendem Material und reflektierenden
Metallschichten, vorgesehen sein. Diese lagen können beispielsweise aus Polyäthylenterephthalatfolicn
bestehen, die mit reflektierenden Aluminiumschichten übusogen sein können.
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Bei der Kühlung des Strahlungsschildes mit flüssigem Kühlmittel tritt
nun die Schwierigkeit auf, daß das flüssige Kühlmittel innerhalb der Rohre, durch
die es geführt wird, verdampfen kann und zwar verdampft um so mehr flussiges Kühlmittel,
je. länger die zur Führung des Kühlmittels dienenden Rohre sind. Bei den. bekannten
Kabeln muß dann der Dampf des Kühlmittels in den Rohren für das flüssige Kühlmittel
mitgeführt werden. Wegen der Votumenvergrößerung beim Verdampfen erreicht der Dampf
des Kühlmittels dabei erheblichbohere Strömungsgeschwindigkeiten als das in den
Rohren befindliche flüssige Kühlmittel. Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten
des Dampfes kann das flüssige Kühlmittel sprayförmig mitgerissen werden. Dies kann
dazu führen, daß das Strahlungsschild nicht mehr ausreichend gekühlt wird. Weitere
Schwierigkeiten entstehen durch ungleichmäßige Verdampfung des flüssigen Kühlmittels
und die damit verbundenen Schwingungen der Dampfsäule und gegebenenfalls auftretenden
Rückstau. Bei einer Verlegung des Kabels im Gelände mit Steigungs- und Gefällstrecken
werden diese Schwierigkeiten noch vergrößert, weil sich aufgrund der unterschiedlichen
Neigungen der Kühlmittelrohre Dampfblasen und Flüssigkeitssäcke bilden können, die
eine gleichmäßige Kühlung de Strahlungaschildes nicht mehr gewährleisten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser
Schwierigkeiten eine zuverlässige und gleichmäßige Kühlung des Strahlungsschildes
zu sichern.
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Bei einem tiefgekühlten, insbesondere supraleitenden, Kabel mit einem
den bzw. die durch ein erstes Kühlmittel kühlbaren elektrischen Leiter ungebenden,
durch eine Hülle umschlossenen evakuierbaren Raum und einem in diesem Raum angeordneten,
den bzw. die Leiter umschließenden, metallischen Strahlungsschild, das durch ein
zweites, flüssiges, dreh wenigstens ein Rohr geführtes Kühlmittel kühlbar ist, wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zur Führung des zweiten Kighlmittels
dienende Rohr an mehreren entlang des-Kabels verteilten Stellen über einen für das
flüssige Kühlmittel undurchlässigen, jedoch für den Dampf des Kühlmittels durchlässigen
Körper und eine vakuumdichte, wenigbenz teilweise flexib](-, durch den evakuierbaren
Raum hinduchgeführte Leitung mit der außeren Umgebung der diesen Raum umschließenden
Hülle
in Verbindung steht.
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Das verdampfte Kühlmittel für das Strahlungsschild braucht bei einem
derart ausgestalteten Kabel nicht mehr das ganze Kühlmittelrohr zu durchströmen,
sondern kann an den entlang des Kabels verteilten Stellen über den für den Kühlmitteldampf
durchlä-ssigen Körper und die durch den evakuierbaren Raum hindurchgeführte Leitung
aus dem Kabel austreten, bevor es hohe Strömungsgeschwindigkeiten erreicht oder
Gasblasen bildet. Das flüssige Kühlmittel wird dagegen im Kffhlmittelrohr zurückgehalten,
da der für den Dampf des Kühlmittels durchlässige Körper für das flüssige Kühlmittel
undurchlässig ist. Da die durch den evakuierbaren Raum hindurchgeführte Leitung
flexibel ausgebildet ist, bereitet auch die beim Abkühlen des Kabels auftretende
Schrumpfung des Strahlungsschildes gegenüber der den evakuierbaren Raum umschließenden,
auf Außentemperatur befindlichen Hülle keine besonderen Schwierigkeiten. Die erfindungsgemäße
Lösung eignet sich besonders für flüssigen Stickstoff, der in den meisten Fällen
als Kühlmittel für das Strahlungsschild verwendet wird. Im Gegensatz zu dem bei
supraleitenden Kabeln in der Regel zur Kühlung der Leiter verwendeten kostspieligen
Helium braucht der gasförmige Stickstoff nicht aus wirtschaftlichen Gründen zu einem
Verflüssiger zurückgeleitet zu werden, sondern kann an Ort und Stelle aus dem Kabel
abgeblasen werden. Man kann aber auch außerhalb der den evakuierbaren Raum umschließenden
Hülle des Kabels Rohrleitungen anbringen, durch die der Kühlmitteldampf Sammelstellen
bzw. Verflüssigem zugeleitet werden kann. Diese Maßnahme empfiehlt sich aus Sicherheitsgründen
insbesondre bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff als Kühlmittel für das
Strahlungsschild.
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Der für das flüssige Kühlmittel undurchlässige, jedoch für den Dampf
des Kühlmittels durchlässige Körper kann an der Mündung der durch-den evakuierbaren
Raum hindurchgeführten Leitung in das zur Führung des Kühlmittels dienende Rohr
vorgesehen sein. ziels hat den Vorteil, daß in die Leitung kein flüssiges Kühlmittel
übertreten kann. Der Körper kann aber auch am Ende der durch den evakuierbaren Raum
hindurchgeführten Leitung an der diesen Raum umschließenden Hülle vorgesehen sein.
Bei dieser Ausführung @@m kann zwar flüssiges @@hlmittel in die Leitung eintreten,
war zu
einer etwas stärkeren Yer.lampfung von Kühlmittel führen
kann, jedoch ist der Körper leichter zugänglich.
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Die durch den evakuierbaren Raum hindurchgeführte, wenigstens teilweise
flexible Lei-tung kann vorteilhaft aus einer mit dem zur Führung des zweiten Kühlmittels
dienenden Rohr verbundenen, in den evakuierbaren Raum hineinreichenden Kanüle und
einem auf diese Kanüle aufgesetzten, vakuumdichten, flexiblen, zur Hülle des evakuierbaren
Raumes führenden Schlauch bestehen. Der Schlauch kann dabei vorteilhaft zu einer
im wesen-tlichen parallel zur Kabelachse verlaufenden Spirale gewickelt sein. Durch
eine solche Spirale können die bei der Abkiihlung des Kabels auftretenden Verschiebungen
des Strahlungsschildes gegenüber der den evakuierbaren Raum umgebenden Hülle besonders
leicht ausgeglichen werden.
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Die Kanüle kann vorzugsweise zu ihrem in den evakuierbaren Raum hineinragenden
Ende hin verjüngt sein und in einer scharfkantigen, ringförmigen Schneide auslaufen.
Durch eine solche Ausfhrungsform der Kanüle wird das Einlegen von schlecht wärmeleitenden
Folien in den Raum zwischen dem Strahlungsschild und der den evakuierbaren Raum
des Kabels umgebenden Hülle wesentlich erleichtert. Die verjiingte, scharfkantige
Kanüle kann nämlich die Folien durchdringen, onne daß in den Folien große Spalten
entstehen, die eine Verschlechterung der thermischen Isolation des Kabels zur Folge
hätten.
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Um eine Wärmeeinleitung von der Umhüllung des evakuierbaren Raumes
zwn Strahlungsschild möglichst zu vermeiden, sollten die Kanüle und der Schlauch
aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen. Von besonderen Vorteil
ist, daß die Kantige und der Schlauch durch das abströmende dampfförmige Kühlmittel
bereits gut gekühlt werden. Als Material für die Kanüle eignet sich beispielsweise
Edelstahl. Das Material für den Schlauch soll außer einer schlechten Wärmeleitfähigkeit
auch einen geringen Dampfdruck bei der Temperatur des Kühlmittels besitzen und auch
bei dieser Temperatur noch elastisch sein. Besondern geeignet sind Kunststoffe,
wie Polyäthylen.
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Als Körper, die für das flüssige Kiihlmittel undurchlässig, für das
dampfförmige Kühlmittel aber durchlässig sind, eignen sich
poröse
Körper, beispielsweise Sinterkörper aus Metall, Glasfritten oder mit Poren versehene
Membranen aus Kunststoff, beispielsweise kleinporige Membranen aus der unter dem
Handelsnamen "Porvic" bekannten Polyvinylchloridverbindung.
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Anhand einiger Figuren und Beispiele soll die Erfindung noch näher
erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt schematisch im Längsschnitt eine beispielhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kabels, Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das Kabel nach
Fig, 1, Fig. 3 zeigt schematisch im Längsschnitt eine andere beispielhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kabels, Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch das Kabel nach
Fig. 3, Fig. 5 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Kabels im Querschnitt.
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Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
der elektrische Leiter 1 im Inneren eines beispielsweise aus Edelstahl bestehenden
Rohres 2 angeordnet, das zur Führung des ersten Kühlmittels für den Leiter dient.
Der Leiter 1 kann beispielsweise aus einer Kupfermatrix 3 bestehen, in die eine
Vielzahl von supraleitenden Niob-Titan-Drähten 4 eingelagert sind, Zur Kühlung des
Leiters 1 kann beispielsweise flüssiges Helium dienen, welches beim Betrieb des
Kabels durch den Innenraum 5 des Rohres 2 strömt. Das Rohr 2 ist von einem evakuierbaren
Raum umgeben, der durch das als Hülle dienende vakuumdichte Rohr 6 umschlossen wird,
das ebenfalls aus Edelstahl bestehen kann. Beim Betrieb des Kabeln wird der Raum
zwischen den Rohren 2 und 6 zur thermischen Isolation des tiefgeZuhlten Leiters
1 gegenüber der Umgebung des Kabels evakuiert. Innerhalb dieses Rohres ist ein aus
den konzentrisch zueinander angeordneten Rohren 7 und 8 bestehendes Strahlungsschild
vorgesehen. Der Zwischenraum zwischen den Rohren 7 und 8 dient zur Führung eines
zweiten Kühlmittels, beispielsweise flüssigen Stickstoffes. Die Rohre 7 und 8 können
beispielsweise aus Kupfer bestehen. An der beim Betrieb des Kabels oben liegenden
Seite des Rohres 8 ist auf diesem Rohr eine Metallkappe 9 vskuumdicht aufgesetzt,
die einen für den flüssigen Stickstoff undurchlässigen, für Stickstoffdampf
jedoch
durehlässigen Körper 10, beispielsweise eine poröse Kunstst,offmembran , enthält.
Auf die Kappe 9 ist eine Kanüle 11 aufgesetzt, die zu ihrem in den evakuierbaren
Raum hineinragenden Ende hin verjüngt ist und in einer scharfkantigen, ringförmigen
Schneide ausläuft.-Über dieses Ende der Kanüle 11 ist ein flexibler, zu'einer im
wesentli-chen parallel zur Kabelachse verlaufenden Spirale'gewickelter Kunststoffschlauch
12 geschoben, dessen anderes Ende an dem den evakuierbaren Raum umschließenden Rohr
6 endet, wo sich eine entsprechende Öffnung'13 zum Durchtritt des Kühimitteldampfes
befindet. Der Schlauch 12 kann auf der Kanüle 11 durch eine in den Figuren 1 und
2 nicht dargestellte Schelle gesichert-sein. Mit 14 und 15 sind Abstandhalter aus
schlecht wärmeleitendem Material bezeichnet, welche die Rohre des Kabels gegeneinander
abstützen. Sowohl das Rohr 2 als auch das aus den Rohren 7 und 8 bestehende Strahlungsschild
sind mit mehreren lagen 16 aüs wärmeisolierenden Folien umwickelt.
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Bei der Montage des Kabels wird der Schlauch 12 erst nach dem Umwickeln
des Strahlungsscfiildes mit den Folien 16 auf die Kanüle 11 aufgesetzt. Da die Kanüle
eine scharfkantige Spitze hat, kann sie die Folien 16 beim Umwickeln leicht durchdringen.
Das äußere, den evakuierbaren Raum umschließende Rohr ist zur Erleichterung der
Montage aus zwei Teilen gefertigt, die nach dem Verlegen der inneren Rohre des Kabels
an den Stellen 17 vakuumdicht miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt,
werden-können. Wegen der Flexibilität des Schlauches 12 läßt sich die Verbindung
zwischen der Kanüle 11 und der Öffnung 19 leicht vor der Endmontage des Rohres 6
herstellen. Für den Fall, daß das äußerte Rohr 6 nicht aus zwei Teilen besteht,
sondern als durchgehendes Rohr ausgebildet ist, kann die Montage des Schlauches
12 beispielsweise durch einen auf das Rohr 6 aufgesetzten Deckel erfolgen, der dann
gegenüber dem Rohr 6 vakuumdicht abgedichtet wird. Beim Betrieb des Kabels kann
der im Zwischenraum zwischen den Rohren 7 und 8 des Strahlungsschildes entstehende
Kühlmitteldampf durch den Körper 10 hindurchtreten und über die aus der Kanüle 11
und den Schlauch 12 gebildete Leitung durch den evakuierten Raum hindurch aus dem
Kabel austreten.
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Das in den Figuren 3 und 4 dargestellte Kabel unterscheidet sich s)n
dem Kabel nach den Figuren 1 und 2 durch eine andere Ausgestaltung des
Strahlungsschildes
und eine andere Anordnung des porösen, für den Dampf des zur Kühlung des Strahlungsschildes
dienenden Kühlmittels durchlässigen Körpers. Für die unveränderten Kabelteile sind
in den Figuren 3 und 4 die gleichen Bezugsziffern verwendet wie in den Figuren 1
und 2. Das im evakuierbaren Raum zwischen dem inneren Rohr 2 und dem äußeren Rohr
6 angeordnete Strahlungsschild besteht aus einem Rohr 20 aus gut wärmeleitendem
Metall, beispielsweise Kupfer, das an seiner Oberseite mit einem weiteren Metallrohr
21 gut wärmeleitend verbunden ist. Dieses Rohr 21 dient zur Führung des Kühlmittels
für das Strahlungsschild 20.
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Auf das Rohr 21 ist eine Kanüle 22 aufgesetzt, über deren Ende ein
flexibler Schlauch 23 geschoben ist, der zu einer Öffnung 24 imäußeren Rohr 6 führt.
Auf die Außenwand des Rohres 6 ist über dieser Öffnung 24 eine ebenfalls mit einer
Öffnung versehene Metallkappe 25 aufgesetzt, die eine für den Kühlmitteldampf durchlässige
Membran 26 umschließt. Die Metallkappe kann beispielsweise mittels eines Gewindes
auf das Rohr 6 aufgeschraubt sein und die Membran 26 dicht an das Rohr 6 anpressen.
Die Membran 26 ist bei dieser Ausführungsform des Kabels leicht zugänglich und kann
bei eventuellen Schäden in einfacherWeise ausgetauscht werden.
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Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des Kabels, bei welcher die Kanüle
zur Führung des Kühlmitteldampfes teilweise im Inneren eines Abstandhalters verläuft,
der zur Abstützung des Strahlungsschildes gegen die den evakuierbaren Raum umgebende
Hülle dient.
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Das Strahlungsschild besteht bei diesem Kabel aus zwei aufeinandergesetzten
metallischen Halbrohren 30 und 31, die mit je einem Kühlmittelrohr 32 und 33 gut
wärmeleitend verbunden sind.
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Die schlecht wärmeleitenden Abstandhalter 34 bis 36, die zur Abstützung
des Strahlungsschildes gegen das äußere Rohr 6 des Kabels dienen, sind speichenförmig
ausgebildet und an der Halbschale 31 des Strahlungsschildes bzw. am Kühlmittelrohr
32 befestigt. Die Kanüle 37 verläuft im Inneren des Abstandhalters 36 und ist kurz
vor dem Ende des Abstandhalters seitlich aus diesem herausgeführt. Über das aus
dem Abstandhalter 36 herausragende Ende der Kanüle 37 ist ein Ende eines flexiblen
Schlauches 38 geschoben. Das andere Ende des Schlauches 38 mündet iii e.iiier Öffnung
des äußeren Rohrs 6, iiber der wie bei dem Kabel nach den
Figuren
3 und 4 eine Metallkappe 39 angebracht ist, welche die poröse Membran 40-umschließt.
Um auch aus dem in Fig. 5, unten liegenden Rohr 33 den Kühlmitteldampf entfernen
zu können, ist dafür zu sorgen, daß entlang des Kabels die Position der Kühlmittelrohre
32 und 33 vertauscht wird, Dies kann beispielsweise an Stellen erfolgen, an denen
in'das Strahlungsschild Dehnungsbälge eingesetzt sind. Die Abstützungen 54, 35 und
36 können beispielsweise aus schlecht wärmeleitendem Metall, wie Edelstahl oder
Neusilber, oder auch aus Keramik oder Kunststoff bestehen.
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Abstandhalter aus Keramik oder Kunststoff lassen sich au'f das Strahlungsschild
und die Kühlmittelrohre beispielsweise aufkitten oder aufkleben.
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Bei anderen Ausführungsformen des Kabels kann beispielsweise anstelle
des in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Leiter 1 auch ein rohrförmiger Leiter verwendet
sein, der an seiner Außenseite mit einer Schicht aus Supraleitermaterial überzogen
ist. Auch das Rohr 2 kann beispielsweise an seiner Innenseite mit einer zur Fortleitung
des Stromes dienenden Schicht aus Supraleitermaterial überzogen sein. Ferner können
innerhalb des Rohres 2 statt des einen Leiters 1 auch mehrere Leiter angeordnet
sein. Das Rohr 2 kann auch selbst den einzigen Leiter bilden, der dann in seinem
Inneren von Kühlmittel durchströmt wird. Bei einem tiefgekühlten normalleitenden
Kabel kann beispielsweise das Rohr 2 als Leiter verwendet sein und aus hochreinem
Aluminium bestehen. Als Kühlmittel für den Leiter kann dann beispielsweise flüssiger
Wasserstoff vorgesehen sein.
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Auch die Form des Strahlungsschildes oder der Abstandhalter kann gegenüber
den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter variiert sein. Auch
die äußere, den evakuierbaren Raum umgebende Hülle braucht nicht rohrförmig ausgebildet
zu sein. Sie kann beispielsweise auch aus einem Trog bestehen, der durch einen flachen
Deckel vakuumdicht verfflchlosßen ist. Die Leitung für den Kühlmitteldsmpf kann
dann vorteilhaft zu diesem Deckel geführt sein.
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7 Patentansprüche 5 Figuren